一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法和系统，属于建筑检测领域。包括：确定外墙空鼓的位置、边缘和面积；基于每组估计值，利用外墙瞬态传热模型确定外墙的各离散位置的热工参数；所述估计值包括空鼓厚度估计值和空鼓深度估计值；使用外墙瞬态传热控制方程，基于所述各离散位置的热工参数、采集的环境信息和各离散位置的外墙温度初始值，计算得到每组估计值对应的采集时间段内各时刻所述各离散位置的外墙温度计算值；基于每组所述外墙温度计算值和采集时间段内各时刻相应的温度实测值，计算得到最优的一组估计值。本发明专利技术方法实现了基于红外热成像采用非接触式检测实现有效估计外墙空鼓深度和厚度信息。息。息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法和系统


[0001]本专利技术属于建筑检测领域，尤其涉及一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法和系统。

技术介绍

[0002]随着房屋建筑进入中老化龄期，房屋存在外墙饰面层脱落、保温层与墙体间形成空鼓等风险，不但会造成、保温功能的退化，还会引起公共安全问题。随着越来越多的房屋达到建筑使用年限，此类事故会出现明显递增趋势，造成的人员伤亡和经济损失也将成倍增长。因此，为了适应现行建筑质量和安全标准，建筑外墙的检测成为建筑长期运维的一项关键内容。
[0003]传统的建筑外墙检测领域的检测技术主要有目测法、敲击法和现场试验法，检测效率低、主观性强，而且检测人员还存在安全隐患。随着红外热成像技术、超声波技术、探底雷达技术等的兴起，国内外研究人员逐渐将其应用于建筑检测中。然而，目前红外热像技术只能检测外墙空鼓的位置和面积，尚不能检测其深度和厚度；而超声波和探地雷达这类可以探测内部信息的技术，检测时需要与待测面接触，在建筑外墙检测中应用难度较大。因此，需要一种可以检测外墙空鼓深度和厚度信息的非接触式检测技术。

技术实现思路

[0004]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法和系统，采用非接触式检测，有效估计外墙空鼓深度和厚度信息。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法，具体包括如下步骤：
[0006]确定外墙空鼓的位置、边缘和面积；
[0007]基于每组估计值，利用外墙瞬态传热模型确定外墙的各离散位置的热工参数；所述估计值包括空鼓厚度估计值和空鼓深度估计值；
[0008]使用外墙瞬态传热控制方程，基于所述各离散位置的热工参数、采集的环境信息和各离散位置的外墙温度初始值，计算得到每组估计值对应的采集时间段内各时刻所述各离散位置的外墙温度计算值；
[0009]基于每组所述外墙温度计算值和采集时间段内各时刻相应的温度实测值，计算得到最优的一组估计值。
[0010]进一步的，所述外墙瞬态传热控制方程包括外墙的内部节点、边节点和角节点的控制方程，所述节点为基于有限差分法将外墙的侧立面分割得到的有限数目的网格节点。
[0011]进一步的，所述内部节点、边节点和角节点的控制方程分别表示为：
[0012]内部节点控制方程：
[0013][0014]其中，
[0015][0016][0017][0018]其中，t表示外墙温度；i、j分别表示所述网格节点在垂直和水平方向的序号；k表示采集时间段内的某一时刻；Δτ表示采集时间段内的采集时间间隔；下标LP、OP、TP和BP分别表示该内部节点的左、右、上、下的相邻网格节点；Fo为中间变量，λ、ρ、c为热工参数，分别表示材料导热系数、密度和比热容；下标1、2、3、4分别表示网格节点的左上、左下、右上和右下象限；Δx和Δy分别表示网格节点在水平方向和垂直方向的宽度；
[0019]边节点控制方程：
[0020][0021]其中，j＝1和j＝n分别表示外墙左、右边界的网格序号，左边界对应外墙外立面，右边界对应外墙内立面；i＝1和i＝m分别表示外墙上、下边界的网格序号；t
e
表示综合温度；中间变量h为表面对流换热系数；t
e1
和t
e2
分别表示外墙外部和内部的综合温度；
[0022]角节点控制方程：
[0023][0024]进一步的，将每组估计值作为1个粒子，对每个粒子对应的采集时间段内的各时刻所述计算值和相应的温度实测值，使用粒子群算法计算得到所述最优的一组估计值。
[0025]进一步的，所述粒子群算法的适应度函数为：
[0026][0027]其中，z表示粒子数量；下标i为粒子序号；T表示每个粒子对应的采集时间段内的某时刻所述各离散位置的外墙温度计算值组成的温度矩阵；T0表示每个粒子该时刻温度实测值组成的温度矩阵；为各元素差值的平均值；γ
T
和γ
σ
为权重系数。
[0028]进一步的，所述确定外墙空鼓的位置、边缘和面积包括：
[0029]采集建筑外墙的红外图像和白光图像；
[0030]使用训练好的深度学习模型识别白光图像中的干扰因素；
[0031]根据所述干扰因素的位置从相应的红外图像中剔除干扰因素；
[0032]基于剔除了干扰因素的红外图像确定外墙空鼓的位置、边缘和面积。
[0033]进一步的，所述基于剔除了干扰因素的红外图像确定外墙空鼓的位置、边缘和面积包括：
[0034]将剔除了干扰因素的红外图像灰度化得到灰度图；
[0035]使用聚类算法对灰度图聚类以增强灰度图中外墙空鼓区域的边缘对比度；
[0036]对聚类后的灰度图进行边缘检测得到空鼓轮廓；
[0037]对得到空鼓轮廓的图像进行二值化处理；
[0038]处理空鼓轮廓图像边缘以保持空鼓轮廓边缘的连续性；
[0039]计算空鼓面积。
[0040]进一步的，所述外墙瞬态传热模型基于所述建筑的外墙尺寸和空鼓的位置、边缘与面积描述空鼓与外墙的位置关系，基于建筑层分布和空鼓深度估计值、空鼓厚度估计值描述空鼓与各建筑层的相对关系。
[0041]进一步的，基于空鼓所在的建筑层的材料的热工参数、空鼓深度估计值、空鼓厚度估计值确定空鼓区域所对应外墙区域的各离散位置的热工参数。
[0042]另一方面，本专利技术还提供了一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息检测系统，包括：
[0043]图像处理模块，用于基于采集到的外墙图像确定外墙空鼓的位置、边缘和面积；
[0044]参数计算模块，用于基于每组估计值，利用外墙瞬态传热模型确定外墙的各离散位置的热工参数；所述估计值包括空鼓厚度估计值和空鼓深度估计值；
[0045]温度计算模块，用于使用外墙瞬态传热控制方程，基于所述各离散位置的热工参数、采集的环境信息和各离散位置的外墙温度初始值，计算得到每组估计值对应的采集时间段内的各时刻所述各离散位置的外墙温度计算值；
[0046]信息估计模块，用于基于每组所述计算值和采集时间段内的相应的温度实测值，计算得到最优的一组估计值。
[0047]本专利技术至少可以实现下述之一的有益效果：
[0048]通过红外热像技术检测外墙红外图像，结合构建外墙瞬态传热模型和外墙瞬态传热控制方程，经计算得到外墙空鼓深度和空鼓厚度的最优估计值，突破了当前红外热像技术只能检测外墙空鼓的位置和面积、不能检测其深度和厚度的技术局限，实现了使用红外热像技术采用非接触式探测方法有效估计外墙空鼓深度和空鼓厚度。
[0049]通过基于有限差分法把建筑外墙侧立面分割成有限数目的离散网格节点，针对各个节点构建的外墙瞬态传热控制方程，通过控制容积法的数值解法，把原来在空间和时间上连续的物理量的场，转变为有限个离散的网格节点上的物理量的集合求解所述控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外热成像的建筑外墙空鼓信息估计方法，其特征在于，包括如下步骤：确定外墙空鼓的位置、边缘和面积；基于每组估计值，利用外墙瞬态传热模型确定外墙的各离散位置的热工参数；所述估计值包括空鼓厚度估计值和空鼓深度估计值；使用外墙瞬态传热控制方程，基于所述各离散位置的热工参数、采集的环境信息和各离散位置的外墙温度初始值，计算得到每组估计值对应的采集时间段内各时刻所述各离散位置的外墙温度计算值；基于每组所述外墙温度计算值和采集时间段内各时刻相应的温度实测值，计算得到最优的一组估计值。2.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，所述外墙瞬态传热控制方程包括外墙的内部节点、边节点和角节点的控制方程，所述节点为基于有限差分法将外墙的侧立面分割得到的有限数目的网格节点。3.根据权利要求2所述的估计方法，其特征在于，所述内部节点、边节点和角节点的控制方程分别表示为：内部节点控制方程：其中，其中，其中，其中，t表示外墙温度；i、j分别表示所述网格节点在垂直和水平方向的序号；k表示采集时间段内的某一时刻；Δτ表示采集时间段内的采集时间间隔；下标LP、OP、TP和BP分别表示该内部节点的左、右、上、下的相邻网格节点；Fo为中间变量，λ、ρ、c为热工参数，分别表示材料导热系数、密度和比热容；下标1、2、3、4分别表示网格节点的左上、左下、右上和右下象限；Δx和Δy分别表示网格节点在水平方向和垂直方向的宽度；边节点控制方程：其中，j＝1和j＝n分别表示外墙左、右边界的网格序号，左边界对应外墙外立面，右边界对应外墙内立面；i＝1和i＝m分别表示外墙上、下边界的网格序号；t
e
表示综合温度；中间变量h为表面对流换热系数；t
e1
和t
e2
分别表示外墙外部和内部的综合温度；角节点控制方程：
4.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，将每组估计值作为1个粒子，对每个粒子对应的采集时间段内的各时刻所述计算值和相应的温度实测值，使用粒子群算法计算得到所述最优的一组估计值。5.根据权利要求4所述的估计方法，其特征在于，所述粒子群算法的适应度函数为：其中，z表示粒子数量；下标i为粒子序号；T表示每个粒子对...

【专利技术属性】
技术研发人员：张营营，于鹏浩，徐俊豪，赵玉帅，周祎，陈培见，张兰兰，宋杰，宋晓光，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：